Энергия медицинского мусора: как ученые превратили маски и блистеры в батарейки
О том, как это возможно, существуют ли аналоги такой технологии и на сколько хватит энергии такой батарейки, ТАСС рассказал один из авторов исследования, научный руководитель инфраструктурного проекта "Высокопроизводительная полимерная тандемная фотовольтаика на основе гибридных перовскитов" НИТУ "МИСиС" Анвар Захидов.
Суть изобретения в том, что ученым удалось получить относительно мощный аккумулятор размером с таблетку парацетамола. Его основа — медицинская маска, помещенная в оболочку из блистера от таблеток. Энергетическая емкость такой батарейки минимум 98 Втч/кг. Много это или мало? Для сравнения, литий-ионные аккумуляторы с удельной мощностью до 100 Втч могут использоваться в мобильных телефонах, часах, видеокамерах, музыкальных плеерах и портативных медицинских приборах.
Добившись успешного результата, исследователи, как рассказал Захидов, решили усовершенствовать свое изобретение. К получившимся аккумуляторам добавили наночастицы неорганического перовскита типа CaCoO (кальций кобальт оксид — прим. ТАСС), что позволило увеличить энергетическую емкость вдвое — до 208 Втч/кг, или 1706 фарад на грамм. "Это очень большая емкость", — подчеркнул ученый. При этом устройство ведет себя не как сверхконденсатор, который за секунды отдает всю энергию, а как обычная батарейка. Мощность выдается небольшая, но долгое время.
Как маску превратить в батарейку
Для начала использованную маску дезинфицируют с помощью ультразвука. Затем ее пропитывают чернилами из графена, очень сильно расслоенного графита, и она из голубой превращается в черную. Затем этот материал прессуют, получая в итоге плотный высокопористый электрод. Между двух таких электродов кладут изолирующую прокладку — тоже из материала медицинской маски, но пропитанного электролитом. И все это помещают в оболочку из таблеточного блистера.
По словам Захидова, особое преимущество таких аккумуляторов — в экономии энергии на их производство. Во время пропитки ткани графеном ее нагревают примерно до 140 градусов Цельсия. Это в десять раз меньше, чем при производстве других электродов.
Как отметил ученый МИСиС, уникальность полученного результата — в сочетании полипропиленовых волокон от использованных масок, графена и наночастиц неорганического перовскита. "Все это создает уникальность не само по себе, а как комбинация для формирования электродов простым низкотемпературным методом и с небольшим давлением. И, как я сказал, уникальность привносит использование материала, который раньше не использовали. Кальций кобальт оксид мы использовали раньше в термоэлектрике — это совсем другая область", — подчеркнул Захидов.
Что еще может стать сырьем для таких аккумуляторов?
Сама идея производства аккумуляторов из отходов, как оказалось, была многократно реализована и раньше. Например, одни из самых энергоемких производят из кокосовой скорлупы, которую обжигают при высокой температуре. Также в качестве сырья можно использовать газеты, автомобильные шины и покрышки, рисовую шелуху, оболочки грецких орехов и абрикосовые косточки, рассказал Захидов.
"Все это работает, но нуждается в высокотемпературном отжиге в специальных печах. Потом нужно еще все в кислотах отмывать. С масками все оказалось проще, интереснее и дешевле", — отметил ученый.
К тому же это огромная польза для экологии. Ведь аккумулятор, разработанный при участии ученых МИСиС, почти полностью сделан из отходов — оболочка, электроды и прокладка между ними. Лишь графен пока приходится покупать. Но и его, по словам Анвара Захидова, уже научились получать из отходов, в том числе из пластиковых бутылок.
Такие исследования проводят ученые в Университете Райса, в Техасе, под руководством Джеймса Тура, рассказал собеседник ТАСС. "Тот самый графен, которым мы пропитываем наши электроды, у них называется "флэш-графен", то есть полученный с помощью вспышки", — рассказал Захидов. Причем исследователи научились получать вещество даже из кофейных выжимок.
Где могут пригодиться эти аккумуляторы
Особенность новых аккумуляторов в том, что они тонкие и гибкие. По сути это ткань. В перспективе их можно, например, вшивать в любые матерчатые изделия, говорит Захидов. Так может появиться рюкзак, который будет заряжать некоторые приборы, или одежда с такой же функцией, или целые элементы интерьера — шторы, ковры. Кроме того, аккумуляторы из масок могут быть использованы привычным образом в небольших бытовых приборах, игрушках, светильниках, фонариках — во всем, что нуждается в батарейках. Ученые даже видят перспективы для их использования в электромобилях и на солнечных электростанциях.
Создана технология. Теперь работа будет направлена на то, чтобы увеличить размеры аккумуляторов, а это, как говорит Захидов, не так-то просто, если речь идет об электродах в виде гибкой ткани. "На рисунке показано гибкое длинное устройство. Мы уже доказали, что оно намного лучше, чем таблеточки. Но его надо по-другому инкапсулировать. Коробки от парацетамола уже не подойдут", — отмечает ученый. Для заливки оболочки исследователи намерены использовать другой полимерный материал, тоже из отходов.
Другие "экологичные" разработки ученых МИСиС
Среди интересных разработок, связанных с экологией, материал для очистки водопроводной воды из подземных источников. Его ученые НИТУ "МИСиС" создали совместно с белорусскими коллегами. Как рассказали в пресс-службе вуза, новый материал эффективнее аналогов в три раза и требует в 100 раз меньше затрат энергии для производства.
Новый метод позволяет получить фильтрующие материалы для очистки воды от металлов на основе огнеупорного шамота, модифицированного азотной кислотой. Это позволяет до десяти раз сократить расход реагентов. "Новая технология может послужить основой для создания полифункциональных покрытий для эффективного удаления из подземных вод других ядовитых веществ и борьбы с биообрастанием. Это обеспечит высокое качество воды в сети питьевого водоснабжения и снизит использование хлора", — подчеркнули в пресс-службе.
Еще одно довольно любопытное исследование касается переработки парниковых газов. На сегодняшний день существуют два основных способа производства катализаторов для переработки СО2: с использованием благородных металлов — эффективный, но дорогой, и без них — дешевый, с заметно сниженными характеристиками, рассказали в университете.
Ученые МИСиС предложили компромиссное решение — взять за основу катализатора недорогое железо, снизив содержание благородных металлов, в данном случае платины, до менее одного атомного процента. Разработанный катализатор на основе нитрида бора и наночастиц железа и платины оказался, как подчеркнули в вузе, очень эффективным в переработке углекислого газа.
"Конверсия СО2 составила 25% при температуре 350 градусов Цельсия, что в 10–15 раз выше, чем для типичного катализатора на основе железа", — пояснили в пресс-службе. Предполагается, что этот катализатор может найти широкое применение в металлургии, на предприятиях химической и нефтеперерабатывающей промышленности.